某矿全尾砂浆静态絮凝沉降试验研究

张美道 饶运章 徐文峰 王文涛 李江红

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000；3.赣州市自然资源局，江西 赣州 341000）

充填采矿法是实现矿山绿色、无废害开采最有效的途径。絮凝剂的使用不仅可以提高尾砂利用率减轻尾矿库压力，还能大大提高充填效率。为避免传统絮凝沉降参数选择的主观性和随意性，必须对絮凝沉降过程进行科学、合理的判断［1-3］。

絮凝沉降过程是一个复杂的物理化学过程，是将选厂低浓度全尾砂浆快速浓密的关键技术。一直以来，在尾砂絮凝沉降方面，国内外学者都对其进行过深入研究。焦华喆等［4］通过静态絮凝沉降实验，研究了给料浓度和聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂单耗对尾矿最大沉降速度和静止沉降极限浓度的影响。董培鑫等［5］通过开展鞍钢矿山全尾砂浆絮凝沉淀对比试验，阐明了絮凝沉降参数对砂浆沉降速度及底流矿浆浓度的影响规律。高志勇等［6］开展了以单位面积处理量评价尾矿料浆浓度、絮凝剂XT9020溶液浓度和XT9020用量对全尾矿絮凝沉降规律的研究。焦华喆等［7］通过室内试验，用均匀法研究絮凝剂单耗、絮凝剂溶液浓度和给料浓度三因素对固液分离中沉降速度和沉降浓度的影响。卞继伟等［8］运用浓密机动态试验装置，研究了不同条件下全尾砂动态絮凝沉降的变化规律。田明明等［9］以山东玲珑金矿全尾砂和5种絮凝剂为原料，研究了絮凝剂各参数对絮凝沉降的影响，并给出了最优值。刘培正等［10］研究分析了全尾砂粗细混合充填中的浓缩效率低、分级沉降难的问题，提出了全尾砂分级浓缩工艺及其适用范围。

本研究通过对某铅锌银矿全尾砂进行静态絮凝沉降实验，分析全尾砂絮凝沉降过程中絮凝沉降参数（如：絮凝剂种类、用量、添加浓度及砂浆浓度）对沉降过程的影响。通过对比分析所有实验所得数据以及实验过程中的现象，筛选出所研究的絮凝沉降参数中对絮凝沉降过程具有积极促进作用的合理参数值，并运用絮凝沉降机理对实验现象进行分析，从而为该矿山全尾砂充填提供合理参数。

1 实验材料及实验方案

1.1 实验材料

1.1.1 全尾砂

实验所用全尾砂均来自该矿选厂，采用BT-2002型激光粒度分析仪（湿法）对全尾砂粒级组成进行分析，如表1和表2所示。

1.1.2 絮凝剂

选用4种高分子絮凝剂，分别为APAM 1 200万分子量、CPAM 30离子度、NPAM 1 200万分子量、PAC 28%。

1.1.3 主要仪器

主要仪器有1 000 ml量杯、1 000 ml量筒、搅拌棒、一次性杯子、10 ml注射器、电子秤（量程1 kg，精度为0.01 g）等。

1.2 试验方案

为了探究絮凝剂各个参数及尾砂浆浓度对该矿全尾砂絮凝沉降的影响，优选出合适的絮凝沉降工艺参数，试验设计方法采用正交设计，以絮凝剂添加量、砂浆浓度、絮凝剂添加浓度3因素为参数进行试验。试验过程：①以50 r/min的速度转动搅拌60 min，配制相应质量浓度的絮凝剂溶液；②根据试验要求配制相应质量浓度的全尾砂浆；③根据试验设计的絮凝剂单耗移取絮凝剂溶液；④将絮凝剂溶液与全尾砂浆混合均匀后静置，在设计的时间点记录固液分离界面高度。

1.2.1 考察指标

试验用沉降速度、极限浓度和上清液含固率对试验的沉降效果进行评价。用澄清液和砂浆液分界面随时间的变化表征沉降速度。在上清液与尾砂交界面长时间禁止不动，尾砂下沉到最低高度，此时上部是澄清的水柱，下部为沉降压实的尾砂，此尾砂浓度即为极限浓度［11］。

式中，C极限为尾砂静水极限质量分数，%；W水为水的质量，g；W砂为尾砂的质量，g；w水为澄清水柱的质量，g。

2 絮凝沉降试验研究

立式砂仓内全尾砂絮凝沉降试验主要分两步进行，首先进行定性试验，确定絮凝剂种类；其次进行定量试验，确定絮凝剂添加单耗、砂浆质量浓度、絮凝剂添加浓度。絮凝剂单耗Jx（g/t）与对应的试验絮凝剂溶液添加量Mx（mL）的关系式：

式中，Cw为全尾砂浆质量浓度，%；V为试验用全尾砂浆体积，ml；ρj、ρx为全尾砂浆和絮凝剂溶液的密度，t/m3；γn为絮凝剂浓度，%。

2.1 絮凝剂种类、型号优选试验

在全尾砂浓度为20%条件下，将APAM、CPAM、NPAM分别制成浓度为1‰的絮凝剂溶液并按吨矿絮凝剂单耗30 g的添加量分别添加到2#、3#、4#量筒，PAC制成浓度3%的絮凝剂溶液按吨矿絮凝剂单耗50 g的添加量添加到5#量筒，设置不加絮凝剂的1#对照试验组。

进行添加不同絮凝剂的全尾砂浆絮凝沉降试验，试验结果见表3，固液分层面高度随时间变化见图1，沉降速度曲线见图2。

从表3、图1和图2中，可以得知絮凝剂对该矿全尾砂絮凝沉降具有促进作用；在沉降初期，沉降速度达到最大值，后期逐渐趋于稳定值；使用PAM的沉降效果明显优于使用PAC的。从表3中可以得出最大沉降速度为APAM>NPAM>CPAM，极限浓度为APAM>NPAM>CPAM，上清液含固率为NPAM>CPAM>APAM，通过以上对比分析优选APAM絮凝剂作为后续实验絮凝剂。

2.2 全尾砂浆浓度与絮凝剂单耗对全尾砂絮凝沉降的影响

控制絮凝剂浓度为1‰，分别在全尾砂浆浓度为10%、15%、20%、25%、30%、35%时，按APAM絮凝剂单耗 0 g/t、10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t、50 g/t添加量进行全尾砂絮凝沉降试验。通过对不同浓度全尾砂浆的絮凝剂单耗试验数据进行数值拟合，分析出沉降速度y与絮凝剂单耗x的拟合方程，如表4所示。根据各砂浆质量浓度下的最佳絮凝剂单耗以及对应最大沉速，建立砂浆质量浓度与最佳絮凝剂单耗的拟合曲线（图3）和砂浆质量浓度与对应最大沉速的拟合曲线（图4）。

通过试验数据分析，可以发现当絮凝剂溶液浓度一定时，随着砂浆质量浓度增大，各浓度的最佳絮凝剂单耗呈现出先增大后减小的趋势，而各个最佳絮凝剂单耗对应的最大沉速在逐渐减小。说明在给定絮凝剂浓度和絮凝剂单耗时，砂浆浓度与絮凝沉降速度成负相关关系。因为全尾砂浆质量分数较低时，尾砂颗粒间的相互作用力较小，絮凝剂可以较好地作用于尾砂颗粒，形成较大的絮凝团，在重力作用下加速沉降；当全尾砂质量分数较高时，虽然可以形成较高的沉降质量分数，但由于尾砂颗粒间的相互作用较大，沉降速度慢［12-13］。经过对图3和图4拟合曲线分析可以得出尾砂浆浓度为25.162%时，最佳絮凝剂单耗为37.925 g/t，此时对应最大沉速为2.435 mm/s。

2.3 絮凝剂添加浓度对全尾砂絮凝沉降的影响

控制APAM絮凝剂单耗（37.925g/t），全尾砂质量浓度（25.162%），进行絮凝剂不同添加浓度（1#0.5‰、2#0.75‰、3#1‰、4#1.25‰、5#1.5‰）的絮凝沉降试验，设置不加絮凝剂的对照试验（6#）。絮凝沉降试验结果见表5，终点时刻固液分层面高度随时间变化见图5，沉降速度曲线见图6。

从表5、图5和图6可以看出，全尾砂浆固液分界面15 s内沉降速度最快，最快可达4.611 mm/s，15～30 s仍能保持较快的沉降速度，之后沉降速度急剧降低，2～5 min后沉降速度变慢，仅有15 s内的10%～20%，5 min后沉降速度降为0.05 mm/s以下，10 min后沉降速度降为0.01 mm/s以下。当添加的APAM溶液浓度不同时，全尾砂浆固液分界面沉降速度有一定区别，添加浓度为1‰的APAM溶液的全尾砂浆沉降效果最好，15 s内的平均沉降速度可达4.611 mm/s，极限浓度达到65.574%。

2.3.1 最佳絮凝剂添加浓度回归分析

为得出最佳絮凝剂添加浓度，在APAM絮凝剂单耗37.925 g/t，全尾砂质量浓度25.162%时进行全尾砂絮凝沉降试验，取该试验下1 min内的平均沉降速度v作为拟合相关参数，建立絮凝剂浓度影响曲线（如图7），各添加浓度对应的1 min平均沉降速度见表6。

由絮凝剂浓度与平均沉速拟合曲线能够看出，絮凝沉降速度并没有跟随絮凝剂浓度的增大而相应增大，而是在一定的范围内随絮凝剂浓度增大而增大。因为在絮凝添加浓度超过最优值时，絮凝剂相对来说过多了，在尾砂颗粒与絮凝剂的空隙中会形成很多的絮团水，使尾砂粒径变大，而絮凝体体积增大密度就会和水的密度更接近导致絮凝沉速更慢［14］。分析拟合曲线可以得出当絮凝剂浓度为1.032‰时，可得平均沉速最大值3.304 mm/s。

3 实验结果的理论分析

絮凝剂在内聚力与絮凝剂长链结构的共同作用下使尾矿颗粒吸附聚集形成较大絮凝团，从而加快尾矿颗粒的沉降速度［15］。APAM作为一种阴离子型高分子絮凝剂，其高分子长链可以和多个尾砂颗粒链接，并在高分子长链的活性基团与尾砂颗粒表面作用下，把各个尾砂颗粒桥连成一个大的絮凝团。要使APAM絮凝剂发挥出的絮凝沉降效果最好，必须确保①高分子絮凝剂的链环、链尾可以自由地和尾砂颗粒进行链接；②尾砂颗粒表面的空位可以提供高分子长链进一步吸附。絮凝剂用量相对于全尾砂用量过少时，絮凝剂没有足够的链环、链尾无法形成更大的絮团，浑液面中还有很多细颗粒尾砂难以下沉，絮凝沉降效果差。絮凝剂用量相对于全尾砂用量过多时，过多的高分子絮凝剂分子将部分尾砂颗粒表面完全覆盖，絮凝剂不能起到很好的架桥作用，阻止了部分尾砂颗粒聚集形成絮团，沉降速度变慢。

4 结论

（1）絮凝剂对该矿全尾砂絮凝沉降具有促进作用，在APAM、NPAM、CPAM、PAC 4种絮凝剂中尤以APAM絮凝剂对絮凝沉降过程促进作用最好。

（2）絮凝沉降速度并不会一直随着絮凝剂添加量的增大而增大，絮凝剂添加量太少或过量都会对沉降速度的增加起到抑制作用。

（3）在添加的絮凝剂浓度和单耗合理的条件下，随着全尾砂浆浓度的增大，絮凝沉降的速度会逐渐减小。

（4）该矿全尾砂浆浓度最优值为25.162%，APAM絮凝剂最佳絮凝浓度为1.032‰，最佳絮凝单耗为37.925 g/t。